梁维亮，黄　荣

(广西壮族自治区气象台，广西 南宁 530022)



“威马逊”台前飑线天气背景成因和雷达预警方法

梁维亮，黄荣

(广西壮族自治区气象台，广西 南宁 530022)

用常规气象观测资料和多普勒天气雷达观测资料对“威马逊”台前飑线的天气背景和雷达回波特征做了分析。结果表明：华南区域大气层结不稳定，广西东南部有中层干区和较强垂直风切变是该区域台前飑线发生和雷暴大风多发的主要天气背景成因。“威马逊”台前飑线由三段短弓形回波组成，东部弓形回波具有较典型的雷暴大风回波特征。以空间适用性和时间提前量作为衡量标准进行对比，发现反射率核心下降的实用性和预警效果最好，其次为中层径向辐合和地面辐散。

台风；台前飑线；天气背景成因；多普勒雷达；雷暴大风；回波特征

台前飑线是在台风环流背景下产生的中尺度强对流系统。据统计，台前飑线通常发生在台风移动路径的右前方，距离台风中心约600 km，为弧线形排列的雷暴群，40%的登陆台风会产生台前飑线[1-2]。台前飑线可造成短时暴雨、雷暴大风、龙卷等灾害性天气[2-5]。雷暴大风和龙卷的瞬间破坏力强，对农业、工业、交通等构成重大危险，可导致建筑物的损伤和破坏，造成巨大的人员伤亡和经济损失[6-7]。

广西位于华南沿海，热力条件充沛，常年受中纬度天气系统和热带天气系统交替影响，是台风、暴雨、强对流频发的区域[8-9]，也是台前飑线频发的区域[1]。2014年7月19日超强台风“威马逊”正面袭击华南沿海地区，在广西造成10人死亡，直接经济损失138.4亿元[10]。在“威马逊”影响之前，7月17日华南沿海地区在台风外围环流背景下出现了台前飑线，灾害性天气以雷暴大风为主，同时伴有短时暴雨。

台前飑线的实质是一种强对流系统，所导致的暴雨、大风与台风本体的暴雨、大风在产生机制上有本质的区别，监测预警方法和预报着眼点也不同。本文立足于常规气象观测和多普勒雷达观测，从环流形势和物理量配置入手分析“威马逊”台前飑线的天气背景条件，深入剖析对比几种雷暴大风多普勒雷达回波特征在本次台前飑线天气过程中的应用效果。

1　天气实况

“威马逊”7月12日在菲律宾以东的热带海面上生成，西移穿过菲律宾群岛时由强台风减弱为台风，进入南海以后再度加强为超强台风。“威马逊”台前飑线7月17日15:00首先在台风移动方向右前方的华南沿海地区出现，距离台风中心650～800 km，约22:00减弱消失，持续时间约7 h。与典型台前飑线的长弧形态或多短弧首尾相接的链状形态不同，“威马逊”台前飑线分为三段纬向排列、东北-西南走向的短弓形回波，生成时间、生成位置、移动方向均不相同，且在发展过程中相互作用不明显，最终未能发展成典型台前飑线。为方便叙述，本文将三段飑线自西向东依次称为弓形回波I、II和III(图1)。回波移动方向与其长轴接近垂直，并与台风移动方向相同。这是台前飑线与台风外围螺旋云带移动特点的显著区别。

图1　2014年7月17日17:00华南地区雷达组合反射率拼图

“威马逊”台前飑线造成了雷暴大风和短时暴雨天气(图2)。雷暴大风的影响范围更大，广西共有25个县出现6级(10.8 m·s-1)以上的大风，其中有6个县出现8级(17.2 m·s-1)以上的大风，最大风速达23.1 m·s-1。15:00-22:00最大累积降水55.5 mm，最大逐小时降水53.5 mm，大雨以上(≥25 mm)站点较少且分散。最大累积降水和最大小时降水出现在同一个测站，较好地代表了本次台前飑线降水的特点，即降水持续时间短，雨强较大，累积雨量较小，总体上降水不显著。

图2　2014年7月17日15:00-22:00降水和雷暴大风

2　天气背景分析

2.1环流形势分析

台前飑线发生时，台风中心位于南海北部海面，中心位于115.0°E，16.9°N，中心气压960 hPa，中心附近最大风速40 m·s-1，7级风圈半径约300 km，10级风圈半径约150 km，风速分布不对称，南侧风速较大(图1)。台风云系在卫星云图上也显示出不对称结构，台风眼区附近和台风南侧、东侧云系较密实，西北侧为较稀疏的螺旋云带。

7月17日08:00的高空环流形势为：200 hPa急流轴位于长江中下游地区，在华南地区形成较好的高层辐散条件，且高空急流可带走高层的凝结潜热，有利于维持上冷下暖的不稳定层结[4]。副热带高压控制华南东部，500 hPa副热带高压脊线位于25°N，西极点位于112°E附近。广西处于副热带高压西侧边缘，500 hPa以下均为东南风，其中850 hPa有12 m·s-1的东南低空急流，急流轴位于广西东部。急流导致的较强垂直风切变是有利于台前飑线发展的[1]，是广西东南部雷暴大风较中西部更强的原因之一。700 hPa广西东南部有东北-西南走向的露点锋，台风外围干空气随东南气流向广西东南部输送，使中层空气变干，有利于空气蒸发冷却形成较强下沉气流，也是该区域雷暴大风较强的原因。14:00，广东和广西交界处沿海地区有地面辐合线，是触发台前飑线的有利条件。

2.2物理量分析

南宁、北海、梧州、阳江、清远等5站的探空物理量如表1所示。南宁、阳江的K≥36 ℃，满足成片雷暴出现的阈值条件(K>35 ℃)。根据广西地区雷暴天气和对流参数的相关统计，K≥36 ℃时出现雷暴天气的概率高于50%[11]。梧州、阳江、清远的沙氏指数SI<0 ℃。所有站的抬升指数LI<0 ℃，其中阳江和清远的LI分别达到-3.13和-5.39，不稳定度较大。同时也可见其中一些站的对流参数不满足出现大范围雷暴的要求。这与台风环流背景下的特殊温湿分布有关。梧州、清远K指数较小是由于中层空气变干，700 hPa的温度露点差较大所致；北海K指数较小与850 hPa的露点较低有关；南宁SI较大的原因是500 hPa温度较高；北海500 hPa温度同样较高，且850 hPa空气较干，空气块沿干绝热曲线上升，温度垂直递减率大，上升到500 hPa时温度较低，导致SI较大。

表1　2014年7月17日08:00华南地区探空物理量

温度垂直递减率能直观地反映高低层的温度对比，能直观地反映层结稳定度。取850 hPa和700 hPa的温度，分别计算两者与500 hPa之间的平均温度垂直递减率(γ)。上述5个站850～500 hPa温度差和700～500 hPa温度差最小值分别为22 ℃和13 ℃，γ约为0.5 ℃/100 m和0.47 ℃/100 m，与湿绝热垂直递减率(0.45 ℃/100 m)大致相当，为弱的条件性不稳定。东部站点的温度差比西部站点大。清远850～500 hPa之间γ达到0.57 ℃/100 m，700～500 hPa之间γ达到0.65℃/100 m，为条件性不稳定，其中700～500 hPa之间不稳定度最大。

下沉对流有效位能(Downdraft Convective Available Potential Energy,DCAPE)表示空气块因降水蒸发冷却，在负浮力作用下做下沉运动所能达到的最大动能。DCAPE越大，表示可能出现的下沉运动越强，地面辐散大风风速也越大。华南沿海地区均有一定的DCAPE，广西东南部以及广东沿海的DCAPE相对较大，达到800～1 100 J·kg-1，据此估算下沉气流最大速度可能达到20 m·s-1左右。

垂直风切变是雷暴发展过程中一个重要的动力条件。在较强的垂直风切变条件下雷暴更容易加强。统计表明雷暴大风一般出现在较强的垂直风切变条件下。梧州、阳江、清远0～1.5 km风速差为7～10 m·s-1，对应的垂直风切变值为2.3～3.3×10-3s-1，为中等偏强风切变；0～3 km风速差为5～8 m·s-1，对应的垂值风切变值为1.7～2.7×10-3s-1，为中等风切变。相比之下南宁和北海的垂直风切变则较小。

综合热力因子和动力因子，广西全区均存在一定的层结不稳定条件，东南部的不稳定度和垂直风切变都比中西部强，因此台前飑线在东南部发展旺盛，进入中西部即减弱消失。雷暴大风在东南部达到8级，而在中西部只达到6级。

3　雷达回波特征

3.1弓形回波I

初期为若干沿东北-西南走向排列整齐、相互独立的雷暴单体。雷暴单体向西北方向移动过程中强度逐渐增强，连接为线状回波，中间部分略向前突出。17:47(图3a)移动至南宁雷达东南方向约70 km处时强度达到最强，整体表现为长度约130 km、宽度约30 km的密实带状回波，组合反射率(Composite Reflectivity, CR)最大为59 dBZ。

低仰角的基本反射率(Reflectivity, REF)可见紧贴着弓形回波前边缘位置有一条线状弱回波与其同步向前移动，为弓形回波前部的阵风锋。17:59以后阵风锋与弓形回波的距离逐渐增大，反映地面辐散气流使阵风锋加速向前，也表明弓形回波进入消亡阶段。从径向垂直剖面中可见反射率核心高度17:47位于5～6 km，17:59迅速下降到1 km。

图3　2014年7月17日南宁雷达回波特征

反射率核心下降后约30 min，阵风锋完全脱离弓形回波，形成狭长的线状弱回波，同时弓形回波快速减弱。19:11的REF(图3b)显示阵风锋距离弓形回波约20 km，径向速度图中有10 m·s-1的大风区与之对应，大风区高度约800 m。南宁附近的6级大风出现时间与阵风锋过境时间相符。

反射率核心下降是雷暴大风出现前的典型特征，但由于弓形回波I本身强度偏弱，造成大风未达8级，且维持时间较短。天气背景原因以外，阵风锋远离飑线，缺少低层辐合条件也是导致弓形回波不能维持和加强的一个原因。

3.2弓形回波II

15:30在广东西南部生成，17:00西移进入广西。西端的雷暴单体强度和速度都增加较快，若干雷暴单体在贵港南部结合形成块状回波，回波从经向排列逐渐转变为纬向排列，并转向西北方向移动(图4a)。20:30达到最强，REF大于60 dBZ。21:00之后逐渐减弱消失。在发展过程中弓形回波内单体结构为块状，弓形回波前后边界不整齐，未发现阵风锋。

19:12在贵港石江村(图4a中圆圈所示)出现18.2 m·s-1的大风。同时刻REF(图4a)显示该站正受回波过境影响。柳州雷达距离该站150 km，未观测到低层回波特征，但可以综合不同仰角的回波分布特征仍可得到一些信息。0.5°仰角的径向速度(Radial Velocity, RV, 图4b)显示该站位于正负速度的辐合线上，该处回波高度约3 km。考察1.5～3.4°仰角的RV发现仰角越高辐合线位置越偏南，根据雷暴的倾斜特征可推测低层辐合线应在该站的北侧。同时弓形回波后部偏南风RV达20 m·s-1，经过该站点的径向垂直剖面中发现15 m·s-1的大风区从6 km高度向下延伸至3 km(3 km以下缺测)，反映了辐合线南侧的高空偏南大风下传。因此该站雷暴大风可能是由弓形回波后部中低层的强烈入流造成。

图4　2014年7月17日柳州雷达回波特征

3.3弓形回波III

15:00广东西南沿海地区出现雷暴单体，约17:00在肇庆西部加强为弓形回波(图5a虚线所示)，长度约100 km，宽度约20 km，向西北偏西方向移动。弓形回波后侧东南气流强盛，3.5～7.5 km高度有深厚的大风区，RV大于20 m·s-1(图5b)，且有逐渐降低的趋势。17:53-19:08，陆川东城水库、梧州万秀区、苍梧地面站、北流高垌水库、藤县龙胜村(表2，站点位置如图5a中圆圈所示)相继出现8级以上的雷暴大风。

图5　2014年7月17日梧州雷达回波特征

图6　2014年7月17日17:34-18:03梧州雷达基本反射率径向垂直剖面

造成梧州雷暴大风的是图5a所示弓形回波前方的孤立强雷暴单体。17:30-19:00孤立单体的强度加强并连接成新的弓形回波，原弓形回波则逐渐减弱消失。图5c虚线所示梧州西部的密实线状回波即新弓形回波。原回波消失和新回波形成可以看作弓形回波中雷暴单体的替换过程，而宏观上则表现为弓形回波的一次跳跃式前进。跳跃式前进使弓形回波III整体移动速度加快，17:00-20:00间的3 h内向西北移动了约180 km，平均速度60 km·h-1，移动速度比弓形回波I和弓形回波II(约40～45 km·h-1)更快，增加了雷暴大风出现的可能性，这与梧州地区出现更多大风的观测事实相符。

梧州雷达较为完整清晰地观测到梧州雷暴大风的形成过程。约17:30一个强雷暴单体从东南向梧州靠近，强度逐渐加强，CR大于65 dBZ。沿105°方向的(图5c中虚线)径向垂直剖面演变(图6)可见，17:36距离雷达25 km处雷暴单体内出现穹窿状的有界弱回波区，为强上升气流区。17:40，6 km高度出现大于60 dBZ的强回波悬垂，弱回波区面积缩小，表明中高层的降水粒子开始降落到弱回波区内。17:46强回波快速下降到3 km高度，强度维持大于60 dBZ。17:57强回波触地，触地点距离雷达约12 km。15 min后雷达北侧2 km出现8级大风。

REF径向垂直剖面演变反映了降水粒子被强上升气流抬升到高空、在上升过程中增长，然后迅速下降触地的过程。弓形回波前后入流形成的中层径向辐合(图7圆圈所示)、降水粒子下落时拖曳和冷却作用形成的强下沉气流在触地后向四周辐散的特征也较清楚。地面强烈辐散叠加较强的环境东南风，18:03地面附近的径向速度增大至20 m·s-1，9 min后出现8级大风。

雷暴单体发展演变的过程中可见清晰的弱回波区、强回波悬垂、反射率核心下降、中层径向辐合、地面辐散等，为较典型的雷暴大风回波特征。

图7　2014年7月17日17:52和17:57梧州雷达径向速度径向垂直剖面

4　雷暴大风的雷达预警方法对比分析

与弓形回波相联系的雷暴大风可以由弓形回波中低层后侧强入流造成，也可以由下击暴流导致的地面辐散大风造成，但有研究表明弓形回波出现时，下击暴流实际上已经发生，且对弓形回波的初始发展至关重要。因此理论上雷暴大风出现前都可以发现下击暴流的回波特征。监测雷暴大风常用的多普勒雷达回波特征有：反射率核心下降(Descending of Reflectivity Core, DRC)、中层径向辐合(Mid-Altitude Radial Convergence, MARC)、地面辐散(Surface Divergence, SD)等[12]。

综合基本反射率、径向速度、风暴追踪信息等雷达产品，考察6个出现8级以上雷暴大风站点的雷达回波特征，按照特征的明显程度分为明显、较明显、可识别、不可识别四个等级，分别用A、B、C、D表示，记录回波特征首次出现的时间和相对于8级大风的时间提前量(表2)。

在所有出现大风的站点都能发现较明显的DRC，明显程度与站点和雷达之间的距离(R)有关，与雷暴移动方向和雷达径向的夹角(θ)关系不大。R较小时DRC更明显，一个可能的原因是雷达的扫描高度间隔随R增大而增大，R较小时雷达资料的垂直分辨率较高，DRC更容易被发现。

表2　雷暴大风站点雷达回波特征统计

注：*(明显程度 / 时间提前量)/min

MARC与θ关系较密切。在θ较小的站点2和6，MARC的辐合速度为15～20 m·s-1，在θ较大的站点辐合速度均小于10 m·s-1。MARC主要由雷暴前侧斜升气流与中低层后侧入流的辐合造成。θ较小时前后入流在径向上的分量较大，故MARC更明显。

SD只在R较小时才被识别。R<10 km的站点2和3有明显的SD，R=55 km处的站点5SD特征已较难识别，距离雷达更远的站点则无法观测到地面附近的回波特征。这是因为雷达0.5°仰角在R=50 km距离圈上扫描高度超过700 m，在这个距离以外地面的回波特征严重缺失。

从回波特征出现时间看，DRC和MARC是几乎同时的，因此具有相近的时间提前量。SD则要滞后1～2个雷达体扫时间(6～12 min)，时间提前量也较小。时间提前量与R也有一定的关联，R较小的站点时间提前时间较长，可见较高的资料垂直分辨率对发现和监测回波特征是重要的。

综上，DRC有较大的时间提前量，受R和θ的影响较小，在空间上有较广泛的适用性；MARC有较大的时间提前量，但在θ较大时效果不佳；SD的时间提前量相对较小，且仅在距离雷达约50 km的范围内适用。综合空间适用性和时间提前量两个因素，DRC的实用性和预警效果最好，其次为MARC，SD最差。

5　总结

“威马逊”台前飑线是在台风外围环流背景下产生，由三段不连续的短弓形回波组成的非典型台前飑线。主要灾害性天气为雷暴大风，伴有局地短时强降水。

背景环流和物理量分析表明华南沿海地区具备较好的不稳定度条件。广西东南部中层湿度较小、垂直风切变较大导致该区域雷暴大风的范围和强度都比中西部大。

雷达回波分析表明：弓形回波I结构完整但强度较弱，造成6级大风；弓形回波II结构不完整，其内部个别强单体造成局地8级大风；弓形回波III结构完整且强度较强，具备多种典型雷暴大风回波特征，导致大范围8级大风。

三种雷暴大风回波特征的对比发现：DRC的实用性和预警效果最好，其次为MARC，SD最差。

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The Synoptic Causes and Radar Warning Methods of “Rammasun” pre-TC Squall Line

LIANG Weiliang and HUANG Rong

(GuangxiMeteorologicalObservatory,Nanning530022,China)

ThesynopticcausesandradarfeatureswereanalyzedbyusingconventionalmeteorologicalobservationsandDopplerradardata.TheresultsshowedthatthestratificationwasunstableinsouthChina.Mid-leveldryairandstrongverticalwindshearwerethemaincausesofpre-TCsquallline,werealsothereasonsthatmorethunderstormgalehappenedinsoutheastGuangxi. “Rammasun”pre-TCsqualllineincludedthreeshortbowechoes.TheeasternbowechoshowedthetypicalfeaturesofthunderstormgaleinDopplerradar.Takingspatialapplicabilityandtimeadvanceasthemeasurement,descendingofreflectivitycorewasthemostpracticalandoptimalfeatureforthunderstormgalewarning,followedbymid-altituderadialconvergenceandsurfacedivergence.

typhoon;pre-TCSquallLine;synopticcause;DopplerRadar;ThunderstormGale;EchoFeature

2016-03-28

2016-05-11

广西自然科学基金项目(2014GXNSFAA118290，2014GXNSFAA118295，2014GXNSFAA118299)；中国气象局预报预测核心业务发展专项(CMAHX20160212)

梁维亮(1983-)，男，广西南宁人，硕士，高级工程师，从事灾害性天气预报和研究工作.

E-mail: little_lwl@hotmail.com

X43;P461

A

1000-811X(2016)04-0082-06

10.3969/j.issn.1000-811X.2016.04.015

梁维亮，黄荣. “威马逊”台前飑线天气背景成因和雷达预警方法[J]. 灾害学，2016，31(4)：82-87. [LIANG Weiliang, HUANG Rong. The Synoptic Causes and Radar Warning Methods of “Rammasun” pre-TC Squall Line[J]. Journal of Catastrophology，2016，31(4)：82-87. doi: 10.3969/j.issn.1000-811X.2016.04.015.]